研究人员开发了电子皮肤 让机器人和假肢有了触觉
独特的传感器系统响应速度是人类触觉的1000倍,是电子皮肤有史以来最快的
新加坡国立大学(NUS)的一组研究人员开发了一种名为“非同步编码电子皮肤”(ACES)的人工神经系统,不久之后,机器人和假肢装置可能会拥有与人类皮肤相当、甚至更好的触觉。
新的电子皮肤系统实现了超高的响应性和对损伤的鲁棒性,可以与任何类型的传感器皮肤层配对,作为电子皮肤有效地工作。
这项由新加坡国立大学工程学院材料科学与工程系助理教授本杰明·蒂和他的团队完成的创新,于2019年7月18日在著名的科学杂志《科学机器人》上首次报道。
比人类的感觉神经系统还快
“人类利用触觉完成几乎每一项日常任务,比如拿起一杯咖啡或握手。没有它,我们甚至会失去我们走路的平衡感。同样,机器人需要有一个触觉为了更好的与人交流,但机器人今天仍不能感觉对象很好,”助理教授三通解释说,他一直致力于电子皮肤技术十多年来的希望让机器人和假肢设备更好的触觉。
新加坡国立大学的研究小组从人类的感觉神经系统中获得灵感,花了一年半的时间开发一种可能表现更好的传感器系统。虽然ACES电子神经系统能够探测到像人类传感器神经系统这样的信号,但它是由一个由传感器组成的网络构成的,这些传感器通过一根导线连接在一起,而不像人类皮肤上的神经束。它也不像现有的电子皮肤,它有相互连接的线路系统,可以使它们对损坏很敏感,很难放大。
新加坡国立大学电子与计算机工程系、新加坡国立大学卫生创新研究所助理教授Tee阐述了这一灵感技术(iHealthTech), N.1健康和混合集成柔性电子系统(HiFES)项目,说:“人类的感觉神经系统是非常有效的,它一直在工作,以至于我们经常认为它是理所当然的。它也非常坚固的损害。例如,当我们被割伤时,我们的触觉不会受到影响。如果我们能模仿生物系统的工作方式,并使之变得更好,我们就能在机器人领域带来巨大的进步,而电子皮肤在机器人领域的应用非常广泛。”
ace探测触摸的速度是人类感觉神经系统的1000多倍。例如,它能够在不到60纳秒的时间内分辨出不同传感器之间的物理接触——这是电子皮肤技术有史以来最快的速度——即使有大量的传感器。使用了aces的皮肤还能在10毫秒内准确识别物体的形状、质地和硬度,比眨眼的速度快十倍。这是由ace系统的高保真度和捕获速度来实现的。
ACES平台还可以设计成对物理损伤具有很强的鲁棒性,这是电子皮肤的一个重要特性,因为它们经常与环境发生物理接触。与目前用于互连现有电子皮肤中的传感器的系统不同,ACES的所有传感器都可以连接到一个通用的导体上,每个传感器独立工作。这样,只要传感器和导体之间有一个连接,支持acs的电子皮肤就可以继续工作,使它们不太容易受到损坏。
用于机器人和假肢的智能电子皮肤
ACES简单的布线系统和显著的响应能力,即使传感器的数量在增加,这些都是促进人工智能(AI)智能电子皮肤在机器人、假肢设备和其他人机界面中应用的关键特性。
助理教授Tee解释说:“可扩展性是一个重要的考虑因素,因为高性能的大型电子皮肤需要覆盖机器人和假肢设备相对较大的表面积。”他补充说:“ACES可以很容易地与任何类型的传感器皮肤层搭配,例如,那些设计用来感知温度和湿度的传感器,可以创造出高性能的、有特殊触感的、可用于多种用途的、有ace功能的电子皮肤。”
例如,把ACES和透明、自我修复、防水的传感皮肤层结合起来,创造出一种可以自我修复的电子皮肤,就像人类皮肤一样。这种类型的电子皮肤可以用于开发更逼真的假肢,帮助残疾人恢复触觉。
其他潜在的应用包括开发更智能的机器人,这些机器人可以执行灾难恢复任务或接管日常操作,如仓库中的物品包装。因此,新加坡国立大学的研究小组希望在下一阶段进一步将ACES平台应用于先进的机器人和假肢装置。
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